Активен нискочестотен филтър

По-рано описахме пасивен нискочестотен филтър, в този урок ще изследваме какво е Активен нискочестотен филтър.

Какво е това, схема, формули, крива?

Както знаем от предишния урок, пасивният нискочестотен филтър работи с пасивни компоненти. Само два пасивни компонента резистор и кондензатор е ключът или сърцето на пасивната нискочестотна филтърна верига. В предишните уроци научихме, че пасивният нискочестотен филтър работи без външно прекъсване или активен отговор. Но той има определени ограничения.

Ограниченията на пасивния нискочестотен филтър са както следва: -

1. Импедансът на веригата създава загуба на амплитуда. Така че Vout винаги е по-малък от Vin.
2. Усилването не може да се направи само с пасивен нискочестотен филтър.
3. Характеристиките на филтъра са силно зависими от импеданса на товара.
4. Печалбата винаги е равна или по-малка от единичната печалба.
5. Още етапите на филтъра или реда на филтъра добавиха, че загубата на амплитуда става по-малка.

Поради това ограничение, ако е необходимо усилване, най-добрият начин за добавяне на активен компонент, който ще усили филтрирания изход. Това усилване се извършва от операционен усилвател или операционен усилвател. Тъй като това изисква източник на напрежение, това е активен компонент. По този начин името Активен нискочестотен филтър.

Типичен усилвател черпи захранването от външното захранване и усилва сигнала, но е силно гъвкав, тъй като можем да променим честотната лента по-гъвкаво. Също така, избор на потребителя или дизайнера е да изберете какъв тип активни компоненти да изберете в зависимост от изискванията. Това може да бъде Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, които включват много гъвкавост. Изборът на компонент също зависи от цената и ефективността, ако е проектиран за продукт за масово производство.

В името на простотата, ефективността на времето, както и нарастващите технологии в дизайна на усилвателя, обикновено се използва операционен усилвател за проектиране на Active Filter.

Нека да видим защо трябва да изберем и оп-усилвател за проектиране на активен нискочестотен филтър: -

1. Висок входен импеданс.

   Поради високия входен импеданс входният сигнал не може да бъде унищожен или променен. Като цяло или в повечето случаи входният сигнал с много ниска амплитуда може да бъде унищожен, ако се използва като верига с нисък импеданс. Op-Amp получи плюс точка в такива случаи.

2. Много нисък брой компоненти. Необходими са само няколко резистора.
3. Предлагат се различни видове операционни усилватели в зависимост от коефициента на усилване и напрежението.
4. Нисък шум.
5. По-лесно проектиране и изпълнение.

Но тъй като знаем, че нищо не е напълно перфектно, този дизайн на активния филтър също има определени ограничения.

Усилването на изхода и честотната лента, както и честотната характеристика зависят от спецификацията на операционния усилвател.

Нека да изследваме по-нататък и да разберем какво е особеното в него.

Активен нискочестотен филтър с усилване:

Преди да разберем дизайна на активния нискочестотен филтър с оп-усилвател, трябва да знаем малко за усилвателите. Amplify е лупа, тя създава копие на това, което виждаме, но в по-голяма форма, за да го разпознаем по-добре.

В първия урок за пасивен нискочестотен филтър бяхме научили какво е нискочестотен филтър. Нискочестотният филтър филтрира ниската честота и блокира по-висок от синусоидалния сигнал с променлив ток. Този активен нискочестотен филтър работи по същия начин като пасивния нискочестотен филтър, само че тук е добавен един допълнителен компонент, той е усилвател като оп-усилвател.

Ето простият дизайн на нискочестотния филтър: -

Това е образът на Активен нискочестотен филтър. Тук линията за нарушаване ни показва традиционния пасивен нискочестотен RC филтър, който видяхме в предишния урок.

Прекъснете честотата и усилването на напрежението:

Формулата за прекъсване на честотата е същата като тази, използвана в пасивния нискочестотен филтър.

fc = 1 / 2πRC

Както е описано в предишния урок, fc е граничната честота и R е стойността на резистора, а C е стойността на кондензатора.

Двата резистора, свързани в положителния възел на операционния усилвател, са резистори с обратна връзка. Когато тези резистори са свързани в положителен възел на операционния усилвател, това се нарича неинвертираща конфигурация. Тези резистори са отговорни за усилването или усилването.

Можем лесно да изчислим усилването на усилвателя, като използваме следните уравнения, където можем да изберем еквивалентната стойност на резистора според усилването или може да е обратно:

Усилвател усилване (DC амплитуда) (Af) = (1 + R2 / R3)

Крива на честотния отговор:

Нека да видим какъв ще бъде изходът на активния нискочестотен филтър или графиката на Боде / кривата на честотната характеристика: -

Това е крайният изход на активния нискочестотен филтър в неинвертираща конфигурация на усилвателя. Ще видим подробно обяснение в следващото изображение.

Както виждаме, това е идентично с пасивния нискочестотен филтър. От началната честота до Fc или граничната точка на честотата или ъгловата честота ще започне от -3dB точка. Коефициентът на усилване е 20dB в това изображение, така че граничната честота е 20dB - 3dB = 17dB, където се намира fc точката. Наклонът е -20dB на десетилетие.

Независимо от филтъра, от началната точка до граничната точка на честотата се нарича честотна лента на филтъра и след това се нарича честотна лента, от която е разрешена честотата на преминаване.

Можем да изчислим усилването на магнитуда чрез преобразуване на усилването на напрежението на усилвателя.

Изчислението е както следва

db = 20log (Af)

Това Af може да бъде коефициентът на постоянен ток, който описахме преди, като изчислим стойността на резистора или разделим Vout с Vin.

Неинвертираща и инвертираща схема на филтъра на усилвателя:

Тази активна верига за нискочестотен филтър, показана в началото, също има едно ограничение. Неговата стабилност може да бъде нарушена, ако импедансът на източника на сигнал се промени. Например намаляване или увеличаване.

Стандартна дизайнерска практика може да подобри стабилността, като премахне кондензатора от входа и го свърже паралелно с втори резистор за обратна връзка с усилвател.

Ето схемата Неинвертиращ активен нискочестотен филтър-

На тази фигура, ако сравним това със схемата, описана в началото, можем да видим, че положението на кондензатора е променено за стабилност, свързана с импеданс. В тази конфигурация външният импеданс не оказва влияние върху реактивността на кондензаторите, като по този начин стабилността се подобрява.

На същата конфигурация, ако искаме да инвертираме изходния сигнал, можем да изберем конфигурацията на инвертиращия сигнал на операционния усилвател и бихме могли да свържем филтъра с този инвертиран операционен усилвател.

Ето схемата за изпълнение на обърнат активен нискочестотен филтър: -

Това е активен нискочестотен филтър в обърната конфигурация. Операционният усилвател е свързан обратно. В предишния раздел входът беше свързан през положителния входен пин на оп-усилвателя, а отрицателният щифт на оп-усилвателя се използва за създаване на верига за обратна връзка. Тук веригата се обърна. Положителен вход, свързан със земна референция и кондензатор и резистор с обратна връзка, свързани през отрицателен входен щифт на op-amp Това се нарича обърната конфигурация на усилвател и изходният сигнал ще бъде обърнат от входния сигнал.

Unity Gain или Voltage Follower Активен нискочестотен филтър:

Досега описаните тук схеми се използват за усилване на напрежението и след усилване.

Можем да го направим с помощта на усилвател с единично усилване, което означава, че изходната амплитуда или усилването ще бъде същата като входната: 1x. Vin = Vout.

Да не говорим, това е и конфигурация на операционния усилвател, която често се описва като конфигурация на последовател на напрежение, където операционният усилвател създава точното копие на входния сигнал.

Нека видим дизайна на веригата и как да конфигурираме усилвателя като последовател на напрежението и да направим активния нискочестотен филтър за усилване на единицата:

В това изображение резисторите за обратна връзка на операционния усилвател са премахнати. Вместо резистора отрицателният входен пин на операционния усилвател се свързва директно с изходния усилвател. Тази конфигурация на усилвател се нарича конфигурация на последовател на напрежение. Печалбата е 1x. Това е активен нискочестотен филтър с единично усилване. Той ще създаде точно копие на входния сигнал.

Практически пример с калкулация

Ще проектираме схема от активен нискочестотен филтър в неинвертираща конфигурация на усилвател.

Спецификации:-

1. Входен импеданс 10 khms
2. Печалбата ще бъде 10x
3. Честотата на прекъсване ще бъде 320Hz

Нека първо изчислим стойността, преди да направим схемата: -

Усилвател усилване (DC амплитуда) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Трябва да изберем една стойност; избрахме R2 като 1k за намаляване на сложността на изчислението).

Слагайки стойността заедно, получаваме

(10) = (1 + R3 / 1)

Изчислихме стойността на третия резистор е 9k.

Сега трябва да изчислим стойността на резистора според граничната честота. Тъй като активният нискочестотен филтър и пасивният нискочестотен филтър работят по същия начин, формулата за прекъсване на честотата е същата като преди.

Нека проверим стойността на кондензатора, ако граничната честота е 320Hz, избрахме стойността на резистора 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

Като съберем цялата стойност заедно, получаваме: -

Чрез решаването на това уравнение получаваме стойността на кондензатора приблизително 106nF.

Следващата стъпка е да се изчисли печалбата. Формулата на печалбата е същата като пасивния нискочестотен филтър. Формулата на усилване или величина в dB е както следва:

20лог (Af)

Тъй като усилването на операционния усилвател е 10 пъти, величината в dB е 20log (10). Това е 20dB.

Сега, тъй като вече изчислихме стойностите, сега е време да изградим веригата. Нека добавим всички заедно и изградим веригата: -

Изградихме веригата въз основа на стойностите, изчислени преди. Ще осигурим честота от 10Hz до 1500Hz и 10 точки на десетилетие на входа на активния нискочестотен филтър и ще проучим допълнително, за да видим дали граничната честота е 320Hz или не на изхода на усилвателя.

Това е кривата на честотната характеристика. Зелената линия се стартира от 10Hz до 1500Hz, тъй като входният сигнал се подава само за този честотен диапазон.

Както знаем, че ъгловата честота винаги ще бъде -3dB от максималната величина на усилване. Тук печалбата е 20dB. Така че, ако разберем, че точката -3dB ще получи точната честота, където филтърът спира по-високите честоти.

Поставяме курсора на 17 db като (20dB-3dB = 17dB) ъгловата честота и получаваме 317.950Hz или 318Hz, което е близо до 320Hz.

Можем да променим стойността на кондензатора на обща като 100nF и да не споменаваме ъгловата честота, която също ще се постигне от няколко Hz.

Активен нискочестотен филтър от втора поръчка:

Възможно е да добавите още филтри към един операционен усилвател като активен нискочестотен филтър от втори ред. В такъв случай, точно като пасивния филтър, се добавя допълнителен RC филтър.

Нека да видим как е изградена филтърната верига от втори ред.

Това е филтър от втори ред. На горната фигура можем ясно да видим двата филтъра, добавени заедно. Това е филтър от втори ред. Това е широко използван филтър и индустриалното приложение е усилвател, Музикална системна схема преди усилването на мощността.

Както можете да видите, има един операционен усилвател. Усилването на напрежението е същото, както беше посочено по-рано, като се използват два резистора.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Граничната честота е

Едно интересно нещо, което трябва да запомните, ако искаме да добавим още оп-усилватели, които се състоят от филтри за първи ред, печалбата ще се умножи по всеки отделен човек. Объркан? Може да е схема ще ни помогне.

Колкото повече се добавя операционният усилвател, толкова повече печалба се умножава. Вижте горната фигура, На това изображение два операционни усилвателя каскадни с индивидуални операционни усилватели. В тази схема каскадният усилвател, ако първият има 10x печалба, а вторият е за 5x печалба, тогава общата печалба ще бъде 5 x 10 = 50x печалба.

И така, величината на каскадната верига за нискочестотен филтър op-amp в случай на две op-amp е:

dB = 20лог (50)

Чрез решаването на това уравнение е 34dB. Така че печалбата от каскадната формула за усилване на нискочестотния филтър на op-amp е

TdB = 20лог (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Където TdB = обща величина

Ето как е изграден Активният нискочестотен филтър. В следващия урок ще видим как може да се изгради Active high pass filter. Но преди следващия урок нека да видим какви са приложенията на активния нискочестотен филтър: -

Приложения

Активен нискочестотен филтър може да се използва на множество места, където пасивният нискочестотен филтър не може да се използва поради ограничението за усилване или усилване. Освен това активният нискочестотен филтър може да се използва на следните места: -

Нискочестотният филтър е широко използвана схема в електрониката.

Ето няколко приложения на активния нискочестотен филтър: -

1. Басово изравняване преди усилване на мощността
2. Филтри, свързани с видео.
3. Осцилоскоп
4. Музикална система за управление и модулация на басовите честоти, както и преди високоговорител за високоговорител и аудио високоговорители за извеждане на басите.
5. Функционален генератор за осигуряване на променлив нискочестотен изход при различно ниво на напрежение.
6. Промяна на формата на честотата при различна вълна от.